静态电源路径管理(SPPM)为手持设备提供了有效的电池充电器方案

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作者:Chuck Wong ,Haitao Hu, Intersil公司 

 
无论是做什么用途,或制造商是谁,手持式电子设备都有一个共同的特性:一个可充电的电池,多数情况下还有一个内建的充电电路。当一个AC适配器这样的外部电源或一个USB端口接到手持设备的输入端,充电电路将对电池充电。当接到外部电源时,如果设备正处在开机状态,理想的情形是,设备应当从外部电源汲取尽可能多的功率,以节省电池寿命。要实现这个功能则需要一个自动的电源选择电路,这个电路通常是集成在充电控制IC内。设计者可以从动态或静态电源路径管理当中选择其中的一种,进行电源管理。
在电池供电的手持设备中,动态电源路径管理(DPPM)是更流行的机制。DPPM功能框图如图1所示。主通路元件QMAIN是一个电压稳压器,提供一个经过稳压的输出电压VOUT。第二个通路元件QCharge是充电控制元件,由VOUT供电,提供恒定的电流或恒定的电压对电池充电。在充电期间,如果输出电流超过电源的电流限值,QCharge就会变成一个开关,将电池连到系统上,提供一部分所需的输出电流。

DPPM有几个好处。首先,当电池完全放电时(电池耗尽的情况),DPPM能让外部电源立刻给设备供电。如果没有电源路径管理,在电量耗尽的电池被充电到系统能够启动的电压等级之前(一般是高于3V),系统是无法上电的。这个等待周期取决于充电电路的涓流充电设定,可能是几分钟到十分钟的时间。其次,当用外部电源对电池充电时,DPPM会把来自外部电源的电流分到两个路径中,一条路径为手持设备提供必要的功率,另一条路径输出充电电流,来给电池充电。当外部电源的输入电流达到限值时,电源路径管理会对输入到手持系统的电流进行优先级分类。这样如果当系统工作时,电池正在充电,电池可以在最短的时间内充满,因为动态控制的充电电流是为这个目标而优化的。当外部电源被移走时,QCharge立刻完全打开,把电池连到系统上,向系统输出所需的全部功率。
 

图1,动态电源路径管理框图
 

但DPPM机制有一些限制。第一种情况是,当系统电流发生快速瞬变时,电压会下降。这种情况如果发生在电池充电期间,如果系统电流处在突发方式下,输出端的负载电流会周期性地迅速从接近零升高到2A以上。由于这个电流超过了输入电源的最大容量,充电FET不得不将电流反向,提供一部分的突发电流。由于电流反向需要一定的时间,在这段时间内,输出电压会降低,导致电流产生畸变,如图2所示。第二各限制条件是IC设计的成本和复杂度,因为由两个通路元件需要调节。一个元件调节到系统的输出电压,另一个调节对电池充电的电压或电流。

  
 
图2,静态电源路径管理的瞬态电流响应

静态电源路径管路
 
静态电源路径管理(SPPM)是一个简化的解决办法,能达到上面提到的第一个目标,不会出现电压下降的情况。然而,它没法解决第二个问题,即区分系统和充电电流的优先级。

 
SPPM机制的概念如图3所示。主FET QMAIN是充电控制器元件。开关SW1连接电池和系统。当电池电压高于VPPM阈值(系统的最小工作电压,一般是3.2V),开关导通,无论外部电源存在与否,电池都会连到系统。这样,当系统突然汲取电流时,由于开关已经处在导通状态,电池能够随时提供系统所需的电流。这样就解决了电压降和电流畸变问题,如图5所示。由于在设计中仅需要一个调整元件对电池的充电电压或电流进行调节,IC设计成本和复杂度也降低了。如果需要极低阻抗的开关,图3中的开关SW1可以放到IC外面来实现,进一步降低成本。


如果电池电压低于VPPM的阈值,SW1就开启,VOUT将变成4.2V的恒压源,向系统供电。与此同时,50mA的恒流源ITRKL被激活,在涓流模式下对电池充电,直到电压达到VPPM阈值(有一定滞后),然后SW1会关闭,电池就连到系统上。这样就解决了没电电池的启动问题。
 
由于SPPM解决在电池没电情况下的系统启动问题,对于手持式应用来说,这是一种很有吸引力的电池充电器解决方案。

图3,静态电源路径管理框图


图4,静态电源路径管理控制流程

图5,静态电源路径管理的瞬态电流响应